生物造粒流化床污水处理技术及理论研究

论文摘要

污水中的污染物按存在形态可以划分为悬浮物和溶解物,按化学性质可以划分为无机物和有机物。常规污水处理的主要目的是去除水中的所有悬浮物和有机物,通常采用以活性污泥法为主的生物处理技术和以沉淀为主的固液分离技术。因此,提高生物降解能力和强化固液分离效率是迄今污水处理技术发展的两个层面。在提高固液分离效率方面,自我造粒流化床技术是近年来发展起来的一项高效固液分离技术,通过混凝剂的合理使用和适宜的机械搅拌在高浓度悬浊液中形成大粒径、高密度的造粒颗粒（Pellets）,能大幅度提高固液分离效率。在提高生物降解能力方面,生物颗粒污泥培养技术的发展受到广泛关注,由于生物颗粒污泥具有生物密度高、生物相丰富、沉降性好等优于一般生物絮体的特点,所以该技术能有效提高生物反应器的降解能力,同时有助于提高后续固液分离效率。但是,生物颗粒污泥培养周期长、控制难度大,从而影响了该技术的实际应用。受以上两项技术的启发,论文提出了将生物处理技术与造粒流化床固液分离技术相结合的“生物造粒流化床”污水处理新工艺,借鉴造粒流化床技术使生物反应器中的松散态活性污泥转变为颗粒污泥,再通过供氧条件的合理控制使造粒颗粒污泥具有与活性污泥同样的生物降解活性,在发挥造粒流化床高效固液分离优势的同时实现有机物的生物降解,使污水中悬浮物分离和有机物生物降解得以同步完成。在国家自然科学基金项目的资助下,论文对生物造粒流化床用于城市污水处理的技术特点和理论原理进行了系统性地研究,主要工作及成果包括:（1）生物造粒流化床污水处理工艺研究建立了生物造粒流化床污水处理中试系统,确立了合理的供氧方式及最佳操作与控制条件,在西安市某污水厂开展了对城市污水直接处理的长期运行实验。研究结果表明,生物造粒流化床用于城市污水处理,可以在一个单元内同时完成生物降解和固液分离。工艺的适宜操作条件为:PAC投量50mg/L、PAM投量5mg/L、上升流速1.32mm/s、搅拌速度10 rmp、回流比50%、排泥周期6h、泥床高度控制范围110cm160cm。在上述操作条件下连续运行,生物造粒流化床对城市污水中SS、COD、BOD、NH3-N、TN、TP、色度、浊度等污染物的平均去除率可分别达到95%、90%、91%、38%、42%、95%、84%、77%。（2）生物造粒流化床中颗粒污泥的物化特性研究研究了生物造粒流化床中颗粒污泥的形成过程和物化特性,结果表明:造粒颗粒污泥的外形多为球状,其粒径分布具有沿流化床纵向自下而上递减的趋势,下、中、上层的粒径范围分别为3mm4mm、2mm3mm、1mm2mm。通过粒径和静水沉速分析,得出了造粒颗粒污泥的粒径-密度关系,结果显示,生物造粒流化床中形成的颗粒污泥的有效密度随粒径增大而降低的趋势不明显,表明其具有密实的颗粒构造,有效密度接近于10-2g/cm3数量级,比同粒径范围的常规有机絮凝体密度高出一个数量级以上,同时也高于同粒径范围的常规无机絮凝体密度,这是其具有良好固液分离效果的原因所在。（3）生物造粒流化床中颗粒污泥的生物学特性研究通过微生物学和分子生物学分析,可知在造粒颗粒表面及内部均富集有大量的微生物。颗粒污泥的电镜表面观察及切片内部观察结果表明,主要微生物形态为杆状菌和球状菌,前者多分布于流化床下层及颗粒污泥表面,后者多分布于流化床上层及颗粒污泥的内部。细菌计数结果表明,流化床中单位重量污泥中的细菌总数在4000万个/g到9000万个/g之间,且以好氧菌为主,好氧菌占细菌总数的97%以上、厌氧菌数量不到3%;细菌总数和好氧菌数量呈从底部到顶部递减的趋势,而厌氧菌则呈从底部到顶部递增的趋势;厌氧菌主要由反硫化菌和反硝化菌构成,前者占80%左右,后者占20%左右。DGGE分析结果表明,造粒颗粒中微生物种群具有多样性特征,优势种属有20多种,且流化床下层、中层、上层的微生物群落相似性为83.1%,说明沿层高的微生物群落演替不明显、群落结构较为稳定。（4）生物造粒流化床的污染物去除机理探讨结合流化床沿纵向高度的溶解氧分布、微生物群落分布、以及碳、氮、磷等污染物分布特征的分析,探讨了生物造粒流化床的污染物去除机理。总体来说,在混凝造粒和生化降解的协同作用下,床内污染物的去除包括“转移”和“转化”两个过程,前者以混凝和吸附为主,后者以颗粒污泥中的微生物作用为主。污水中属于悬浮物或胶体范畴的污染物在流化床底部通过混凝作用转移到颗粒污泥中,溶解性污染物则通过吸附逐渐转移到颗粒污泥中,然后得以生物降解和转化。生物造粒流化床内以好氧为主的环境条件有助于有机物降解和氨氮的硝化过程,床内存在的局部缺氧大环境（主要在流化床上层）以及颗粒污泥内部存在的缺氧和厌氧微环境则有助于一定程度的反硝化。流化床对磷的去除主要是混凝作用,即化学除磷。（5）生物造粒流化床污水处理工艺的技术评价长期连续中试运行的结果表明,生物造粒流化床用于城市污水处理,处理水的COD、TP、SS指标可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）规定的一级A标准,BOD可达到一级B标准,TN接近一级B标准,NH3-N达到二级标准。但该工艺能在一个处理单元内同时完成混凝造粒、生物处理和固液分离,总水力停留时间在1小时以内,BOD容积负荷可达到4 kgBOD/kgMLSS?d以上,不失为一种根据排水要求可供选用的高效污水处理技术。生物造粒流化床的MLSS浓度可保持在1000015000mg/L、MLVSS可保持在50008000mg/L,远高于一般活性污泥法的污泥浓度,这是它实现污染物高效去除的重要原因。

论文目录

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 污水处理的技术发展

1.1.2 问题的提出

1.2 研究目的及内容

1.3 课题来源

1.4 论文结构

2 生物造粒流化床的技术及理论基础

2.1 造粒流化床技术及理论基础

2.1.1 普通絮凝过程与絮凝体构造特征

2.1.2 致密絮凝体的形成过程及构造特征

2.1.3 造粒颗粒的形成过程及其构造特征

2.2 生物颗粒污泥形成技术及理论基础

2.2.1 生物颗粒污泥及其性质

2.2.2 生物颗粒污泥的形成机理

2.2.3 生物颗粒污泥技术的应用及存在的问题

2.3 流化床生物造粒技术的基本构思

2.3.1 基本技术构思

2.3.2 生物造粒流化床的系统构成

3 研究方案与实验设计

3.1 研究方案

3.2 实验装置及系统设计

3.3 实验操作方法

3.3.1 实验现场条件

3.3.2 实验原水

3.3.3 连续中试实验

3.4 分析测试方法

3.4.1 化学分析

3.4.2 颗粒污泥物化特性分析

3.4.3 微生物学分析

4 生物造粒流化床污水处理工艺研究

4.1 工艺操作条件的确定

4.1.1 PAC、PAM 投药量及投加方式

4.1.2 流化床上升流速与进水量

4.1.3 机械搅拌强度

4.1.4 回流比与进水溶解氧浓度

4.1.5 颗粒污泥床控制及排泥方式

4.1.6 生物造粒流化床工艺的基本操作条件

4.2 生物造粒流化床的启动及污泥床的形成过程

4.2.1 流化床的启动过程

4.2.2 排泥周期对颗粒污泥床的影响

4.3 生物造粒流化床的污染物去除效果

4.3.1 SS 和浊度的去除效果

4.3.2 有机物的去除效果

4.3.3 氮的去除效果

4.3.4 磷的去除效果

4.3.5 色度的去除效果

4.4 回流比和供氧条件对处理效果的影响

4.4.1 调整回流比的去除效果

4.4.2 调整供氧条件的去除效果

4.4.3 回流比和供氧条件的影响分析

4.5 流化床内各项水质指标的纵向分布规律

4.5.1 溶解氧浓度的纵向分布

4.5.2 SS 浓度的纵向分布

4.5.3 有机物浓度的纵向分布

4.5.4 NH3-N 及TN 的纵向分布

4.5.5 TP 的纵向分布

4.6 本章小结

5 生物造粒流化床中颗粒污泥的特性研究

5.1 颗粒污泥的物理学特性

5.1.1 颗粒污泥的形态特征

5.1.2 颗粒的粒径分布

5.1.3 颗粒污泥的密度

5.2 颗粒污泥的微生物学特性

5.2.1 颗粒污泥表面的微生物分布

5.2.2 颗粒污泥内部的微生物分布

5.2.3 污泥床纵向的微生物分布

5.3 颗粒污泥的微生物多样性

5.3.1 DGGE 分析

5.3.2 微生物多样性解析

5.4 本章小结

6 生物造粒流化床的污染物去除机理

6.1 流化床对有机物的去除机理

6.1.1 不同形态有机物的去除过程

6.1.2 有机物去除机理分析

6.2 流化床脱氮过程与机理

3-N 和TN 的物理转移过程'>6.2.1 NH₃-N 和TN 的物理转移过程

3-N 和TN 的生物转化过程'>6.2.2 NH₃-N 和TN 的生物转化过程

6.2.3 生物造粒流化床的脱氮机理

6.3 流化床除磷机理

6.4 本章小结

7 生物造粒流化床工艺的技术评价

7.1 污水处理效果评价

7.1.1 污染物去除效率评价

7.1.2 处理水质评价

7.2 生物造粒流化床的污泥指标及污泥负荷

7.2.1 MLSS 和MLVSS 的纵向分布

7.2.2 SVI 的纵向分布

7.2.3 流化床的污泥负荷

7.3 生物造粒流化床的技术应用前景

7.4 本章小结

8 结论及建议

8.1 结论

8.2 建议

8.3 论文的创新点

致谢

参考文献

博士期间发表的论文及其他成果

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